魯 斌

(浙江省余姚中學 浙江 寧波 315400)

?

基于“實驗創(chuàng)新和探究”的“法拉第電磁感應定律”優(yōu)化教學過程設計

魯 斌

(浙江省余姚中學 浙江 寧波 315400)

電磁感應定律是電磁學的核心內(nèi)容，它不僅是靜電場、靜磁場、穩(wěn)恒電流的進一步拓展，而且是后續(xù)交流電、電磁振蕩和電磁波的基礎．電磁感應定律是對電磁感應現(xiàn)象的定量表述．感應電動勢的概念比較抽象，學生較難形成明晰的物理圖像，且定量的研究要求學生對“變化率”有深刻的理解．由于磁通量的變化率是一個整體，僅呈現(xiàn)感應電動勢與磁通量變化量的關系，感應電動勢與時間變化的關系，不利于學生理解感應電動勢的本質．

基于此，教學過程中將采用定性分析與定量研究相結合的方法進行新課教學．對于定性分析，從源于日常生活的電磁感應現(xiàn)象著手，體現(xiàn)STS教育理念；對于定量研究，利用DIS，測量磁場均勻增大時閉合回路中感應電流的大小，并基于數(shù)據(jù)與圖表的分析，促進對知識的深層理解與遷移．呈現(xiàn)了信息技術與物理教學的有效整合之思想．教學過程設計如下．

1 聯(lián)系生活建立感應電動勢的概念

電磁感應現(xiàn)象在日常生活中比較常見，其中電磁爐就是一個很好的應用．將其引入新課教學，會顯得親切自然，激發(fā)學習興趣．同時能讓學生感受物理學貼近與生活和應用與社會的情感．

趣味實驗——空穴來電：教師在一臺電磁爐上放上裝有水的鐵盒，將電磁爐的開關開啟，讓學生猜猜在這個空間內(nèi)發(fā)生了什么．接著將線圈與發(fā)光二極管連接成為一個閉合回路，并靠近電磁爐，打開和關閉電磁爐，讓學生觀察現(xiàn)象，并思考發(fā)生這種現(xiàn)象的原因(現(xiàn)象如圖1所示).

圖1

教師引導學生思考實驗現(xiàn)象，如為何二極管會發(fā)光？為何線圈可以使二級管發(fā)光？學生通過討論分析，能夠意識到線圈相當于一個電源，發(fā)光二極管發(fā)亮，說明線圈中有感應電流產(chǎn)生．

教師追問：閉合回路中要產(chǎn)生感應電流的條件是什么？

學生通過學習“探究感應電流的產(chǎn)生條件”，會很容易想到閉合回路產(chǎn)生感應電流的條件是“穿過閉合回路的磁通量發(fā)生了變化”

教師：閉合電路中存在感應電流，必然存在對應的電動勢．從而引出感應電動勢的概念：在電磁感應現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動勢叫做感應電動勢．

2 定性分析探究影響感應電動勢的因素

師生互動：學生協(xié)助教師將電磁爐拆開，利用多媒體展示其內(nèi)部結構如圖2(a)所示，讓學生觀察并結合感應電流產(chǎn)生的條件，思考電磁爐的磁場是如何產(chǎn)生與變化的．

接著教師呈現(xiàn)電磁爐工作原理圖如圖2(b)所示，結合此圖師生共同討論研究，進一步明確其工作原理．

圖2

教師：穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化是產(chǎn)生感應電流的條件．閉合電路中存在感應電流，必然存在對應的感應電動勢．

教師提出問題：

(1)不同空間位置產(chǎn)生的感應電動勢是否一樣？

(2)感應電動勢的大小與什么因素有關呢？

實驗演示:教師將線圈往上、往下、向左、向右、翻轉，讓學生觀察數(shù)字萬用表交流擋電壓的變化情況(現(xiàn)象如圖3所示)．

圖3

學生觀察到，當線圈離電磁爐比較近時，電壓表示數(shù)較大，較遠時，示數(shù)較小，翻轉時，示數(shù)幾乎為零．

學生分組討論實驗現(xiàn)象產(chǎn)生的原因．

通過學生的討論分析與教師引導，可以從實驗中發(fā)現(xiàn)：

(1)在線圈靠近電磁爐的中心區(qū)域時，大部分變化的磁感線通過線圈，由于線圈面積不變，所以在一個周期內(nèi)，在中心區(qū)域磁通量的變化量比較大，產(chǎn)生的感應電動勢也比較大．

(2)當遠離電磁爐的中心區(qū)域時，大部分變化的磁感線外泄，只有少量變化的磁感線通過線圈，所以在一個周期內(nèi)，在中心區(qū)域磁通量的變化量比較小，產(chǎn)生的感應電動勢也比較?。?/p>

(3)當線圈翻轉時，由于磁場與線圈平面平行，幾乎沒有變化的磁感線通過線圈，感應電動勢為零．

教師總結：磁通量的變化是引起感應電動勢的原因，由上述分析可知，在一個周期內(nèi)，磁通量的變化量越大，產(chǎn)生的感應電動勢也越大;反之，在一個周期內(nèi)，磁通量的變化量越小，產(chǎn)生的感應電動勢也越?。袘妱觿莸拇笮∨c一段時間內(nèi)的磁通量變化量有關，也就是與磁通量變化的快慢即變化率有關．

3 定量探究得到法拉第電磁感應定律

教師：由于在電磁爐的不同區(qū)域磁通量變化率不同，產(chǎn)生的感應電動勢就不同，即磁通量變化率越快，感應電動勢越大，反之，感應電動勢越小，那么磁通量變化率與感應電動勢大小存在什么樣的定量關系呢？

演示實驗:教師利用自制數(shù)字化法拉第電磁感應定律實驗裝置(如圖4所示)定量研究電磁感應現(xiàn)象．教師引導學生根據(jù)實驗結果，分析實驗圖像，完成表格．并讓學生討論磁通量變化率與感應電動勢的關系．

圖4 數(shù)字化法拉第電磁感應定律實驗裝置

自制數(shù)字化法拉第電磁感應定律實驗裝置：將一個線圈的兩端接入直流穩(wěn)壓源，并利用小馬達帶動穩(wěn)壓源旋鈕使電流均勻增大或減?。硪粋€線圈兩端接上微電流傳感器，在線圈中插入磁感應強度傳感器，通過DIS監(jiān)測感應電流(感應電動勢)與磁感應強度(由于面積不變，即對應于磁通量)的變化．

(1)先斷開電源，觀察磁感應強度曲線與微電流曲線，然后在電機上加上1 V電壓，使電機勻速低速正轉，使線圈電壓均勻增大，到最大值時，停留幾秒，再將電機反轉，使線圈兩端電壓勻速減?。阶钚≈禃r，停留幾秒，觀察感應電流與磁感應強度大小圖像．

(2)按照步驟(1)，在電機上加上分別加上1.5 V，2.0 V的電壓電壓，使電機勻速正轉，得到感應電流與磁感應強度大小圖像．并比較他們的區(qū)別與聯(lián)系．

讀圖分析:呈現(xiàn)實驗現(xiàn)象圖、引導學生觀察、分析微電流曲線、磁感應強度曲線及其兩者的關系，完成表格1.

實驗參考圖線如圖5所示．

圖5

根據(jù)實驗結果，將數(shù)據(jù)填入表中.

表1 電磁感應定律探究表(a)

表2 電磁感應定律探究表(b)

從表1和表2的實驗數(shù)據(jù)表明，在給電機加相同的電壓下，兩種探究情況的感應電流的絕對值是一樣的.因為加在電機上的電壓決定它的轉速，電機與變壓旋鈕相連，使電壓均勻增大.加在電機上的電壓越大，電機轉速越高，副線圈中電流增加得越快，磁場增加越快，則導致原線圈中感應電動勢越大，它的電流也越大.

4 定律運用明確導線切割磁感線是電磁感應定律的特例

演示實驗:教師演奏自制的“電磁古箏”(或電吉他的視頻)，引導學生應用電磁感應定律解釋．

自制“電磁古箏”(圖6)：將釹磁鐵置于導線下方，將導線兩端與錄音機和音響相連實現(xiàn)信號的放大．當撥動導線，由于導線在釹磁鐵磁場中切割磁感線，產(chǎn)生感應電動勢進而產(chǎn)生電流信號，放大裝置接收此信號，變輸出特定的音階．如果將導線各個位置發(fā)出的音與標準音階對照，并標出位置．這樣就可以彈出悅耳的曲子了．

圖6 “電磁古箏”

教師明確“電磁古箏”實質是“導線在磁場中做切割磁感線運動”(導線所圍的閉合回路的磁通量發(fā)生變化)，即為電磁感應定律的特例，進而讓學生體會到物理學與社會生活的關系，體現(xiàn)STS教育理念，并為下節(jié)課深入研究“導線切割磁感線時的感應電動勢”做好鋪墊．

5 概括小結對定律形成深入和系統(tǒng)的理解

圖7

6 結語

本教學過程通過電磁爐使LED發(fā)光實驗、線圈上的感應電動勢測量實驗、自制電磁感應定律演示儀實驗、電磁古箏實驗，從定性到定量，從簡單到復雜，具有較多的創(chuàng)新點．在課堂探究中，先定性探究影響感應電動勢的因素，再定量探究得到法拉第電磁感應定律．學生的課堂參與度較高，探究思路也逐步清晰．將傳感器應用于課堂教學，與自制的實驗儀器相配合，將隱藏的規(guī)律顯化，對學生深刻理解電磁感應的內(nèi)涵具有諸多益處．將此教案運用于課堂教學，取得了很好的教學效果．

2016-01-16)